Ultrahigh electrostrain with exceptional temperature stability in BNT-based ceramics via synergistic regulation of critical phase and domain engineering

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作者
Feng Zhang,Yaodong Yang,Jianting Li,Xiancheng Zhang,Junjie Li,Ying Tang,Shi‐Wei Qu,Yang Bai,Wei-Feng Rao
出处
期刊:Journal of Advanced Ceramics [Springer Science+Business Media]
卷期号:15 (1): 9221196-9221196
标识
DOI:10.26599/jac.2025.9221196
摘要

Bismuth sodium titanate-based (Bi0.5Na0.5TiO3, BNT) lead-free piezoelectric ceramics exhibit significant potential for precision actuation due to their large electrostrain. However, the inherent trade-off between high electrostrain performance and temperature stability hinders their practical application. This study addresses this challenge by developing a series of Bi0.47Na0.47Ba0.06Ti1-xHfxO3 (BNBT-100xH) ceramics via a B-site Hf4+ doping strategy enabling synergistic regulation of the phase boundary and domain state. The optimized BNBT-3H composition (x=0.03) features a morphotropic phase boundary (MPB) comprising coexisting rhombohedral (R3c, 51%) and tetragonal (P4bm, 48%) phases, alongside a unique coexistence domain structure of ferroelectric macrodomains and relaxor nanodomains (~100 nm). This microstructural design achieves an ultrahigh bipolar electrostrain of up to 0.6% (d33*=500 pm/V), along with an ultralow temperature fluctuation of only 16.7% over a wide temperature range of 25-150 °C. Notably, the electrostrain at 150 °C decreases by only 4% compared to that at room temperature, demonstrating excellent thermal stability and overall performance superior to other lead-free systems.Through multiscale characterizations, the origin of the high electrostrain is confirmed to stem from an electric field-induced reversible relaxor-ferroelectric phase transition, facilitated by the flattened energy landscape at the critical rhombohedral-tetragonal phase boundary. Simultaneously, the exceptional thermal stability arises from the thermal-electric driven dynamic equilibrium within the multiphase nanodomain structure. This work not only provides a high-performance material candidate for broad-temperature-range precision actuators but also offers novel insights into optimizing functional ceramics through precise microstructure control.
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